深度理解C# 的執行原理

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本文由鵝廠優文發表於雲+社區專欄
作者:易立 | 騰訊IEG高級工程師

爲什麼 Unity3D 可以運行 C#,C# 和 Mono 是什麼關係,Mono 和 .Net Framework 又是什麼關係?我們深入的來聊一聊這個話題!

從編譯原理說起

一句話介紹編譯器:編譯器是將用某種程式語言寫成的源代碼(源語言),轉換成另一種程式語言(目標語言)等價形式的程序。通常我們是將某種高級語言(如C、C++、C# 、Java)轉換成低級語言(彙編語言、機器語言)。

編譯器以流水線的形式進行工作,分爲幾個階段:源代碼 → 詞法分析 → 語法分析 → 語義分析 → 目標代碼 → 鏈接 → 可執行文件。現代編譯器還會更復雜,中間會增加更多的處理過程,比如預處理器,中間代碼生成,代碼優化等。

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虛擬機是什麼

虛擬機(VM),簡單理解,就是可以執行特定指令的一種程序。爲了執行指令,還需要一些配套的設施,如寄存器、棧等。虛擬機可以很複雜,複雜到模擬真正的計算機硬件,也可以很簡單,簡單到只能做加減乘除。

在編譯器領域,虛擬機通常執行一種叫中間代碼的語言,中間代碼由高級語言轉換而成,以 Java 爲例,Java 編譯後產生的並不是一個可執行的文件,而是一個 ByteCode (字節碼)文件,裏面包含了從 Java 源代碼轉換成等價的字節碼形式的代碼。Java 虛擬機(JVM)負責執行這個文件。

虛擬機執行中間代碼的方式分爲 2 種:解釋執行和 JIT(即時編譯)。解釋執行即逐條執行每條指令,JIT 則是先將中間代碼在開始運行的時候編譯成機器碼,然後執行機器碼。由於執行的是中間代碼,所以,在不同的平臺實現不同的虛擬機,都可以執行同樣的中間代碼,也就實現了跨平臺。

int run(context* ctx, code* c) {
    for (cmd in c->cmds) {
        switch (cmd.type) {
            case ADD:
            // todo add
            break;
            case SUB:
            // todo subtract
            break;
            // ...
        }
    }
    return 0;
}

總結一下,虛擬機本身並不跨平臺,而是語言是跨平臺的,對於開發人員來說,只需要關心開發語言即可,不需要關心虛擬機是怎麼實現的,這也是 Java 可以跨平臺的原因,C# 也是同樣的。推而廣之,理論上任何語言都可以跨平臺,只要在相應平臺實現了編譯器或者虛擬機等配套設施。

C# 是什麼,IL 又是什麼

C# 是微軟推出的一種基於 .NET 框架的、面向對象的高級編程語言。微軟在 2000 年發佈了這種語言,希望藉助這種語言來取代Java,更多詳細的介紹可以參看 C# Wiki。

C# 是一個語言,微軟給它定製了一份語言規範,提供了從開發、編譯、部署、執行的完整的一條龍的服務,每隔一段時間會發布一份最新的規範,添加一些新的語言特性。從語法層面來說,C# 是一個很完善,寫起來非常舒服的語言。

C# 和 Java 類似,C# 會編譯成一箇中間語言(CIL,Common Intermediate Language,也叫 MSIL),CIL 也是一個高級語言,而運行 CIL 的虛擬機叫 CLR(Common Language Runtime)。通常我們把 C#、CIL、CLR,再加上微軟提供的一套基礎類庫稱爲 .Net Framework。

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C# 天生就是爲征服宇宙設計的,不過非常遺憾,由於微軟的封閉,這個目標並沒有實現。當然 C# 現在還過得很好,因爲遊戲而煥發了新的活力,因爲 Unity3D,因爲 Mono。

.Net Framework vs Mono

Mono 是跨平臺的 .Net Framework 的實現。Mono 做了一件很了不起的事情,將 CLR 在所有支持的平臺上重新實現了一遍,將 .Net Framework 提供的基礎類庫也重新實現了一遍。

img

以上,Compile Time 的工作實際上可以直接用微軟已有的成果,只要將 Runtime 的 CLR 在其他平臺實現,這個工作量不僅大,而且需要保證兼容,非常浩大的一個工程,Mono 做到了,致敬!

Unity3D 中的 C

Unity3D 內嵌了一個 Mono 虛擬機,從上文可以知道,當實現了某個平臺的虛擬機,那語言就可以在該平臺運行,所以,嚴格的講,Unity3D 是通過 Mono 虛擬機,運行 C# 通過編譯器編譯後生成的 IL 代碼。

Unity3D 默認使用 C# 作爲開發語言,除此之外,還支持 JS 和 BOO,因爲 Unity3D 開發了相應的編譯器,將 JS 和 BOO 編譯成了 IL。

小結

C# 在 Windows 下,是通過微軟的 C# 編譯器,生成了 IL 代碼,運行在 CLR 中。

C# 在除 Windows 外的平臺下,是通過 Mono 的編譯器,生成了 IL 代碼,運行在 Mono 虛擬機中,也可以直接運行將已經編譯好的 IL 代碼(通過任意平臺編譯)。

理論上,你創造了一門語言,並且實現了某一平臺下的編譯器,然後實現了所有平臺下符合語言規範的虛擬機,你的語言就可以運行在任意平臺啦。

問答
C#刪除屬性XML?
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